EP1612528A2 - Mikrostrukturierter Infrarot-Sensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP1612528A2
EP1612528A2 EP05103854A EP05103854A EP1612528A2 EP 1612528 A2 EP1612528 A2 EP 1612528A2 EP 05103854 A EP05103854 A EP 05103854A EP 05103854 A EP05103854 A EP 05103854A EP 1612528 A2 EP1612528 A2 EP 1612528A2
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cap
substrate
chip
infrared sensor
sensor
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Nils Kummer
Roland Müller-Fiedler
Stefan Finkbeiner
Andre Mueller
Horst Muenzel
Dieter Maurer
Stefan Hiemer
Jürgen Perthold
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a microstructured infrared sensor and a method for its production.
  • Such infrared sensors can be used in particular in gas detectors in which from a radiation source, for. B. emitted in the low-current range light bulb or an IR LED, emitted IR radiation over a measuring path and is subsequently recorded by the infrared sensor, and from the absorption of infrared radiation in specific wavelength ranges on the concentration of gases to be detected in the measuring path closed can be.
  • gas sensors in particular in the automotive sector z. B. for detecting a leak in a operated with CO 2 air conditioner or to investigate the air quality of the room air.
  • the microstructured infrared sensors generally have a sensor chip as substrate, in which a membrane is formed, which is undercut by a cavern.
  • a membrane On the membrane at least one thermopile structure of two contacted interconnects of different conductive materials, for. B. polycrystalline silicon and a metal formed and deposited an absorber layer for absorbing the incident IR radiation.
  • the incident IR radiation is absorbed by the absorber layer, whereupon it heats up according to the intensity of the absorbed radiation.
  • the resulting from the increase in temperature thermoelectric voltage of the contacted tracks is read out as a measurement signal.
  • a cap chip On the sensor chip, a cap chip is generally attached in a vacuum-tight manner, whereby an externally shielded sensor space for the thermopile structure is trained.
  • the sensor may in this case be accommodated in a housing with an attached cover with a diaphragm for the passage of IR radiation.
  • IR radiation to be detected thus falls through the aperture of the cover and the cap crystal chip transparent to IR radiation substantially vertically onto the absorber layer.
  • the aperture in this case has approximately the same diameter as the underlying absorber layer.
  • thermopile detector In order to achieve a sufficient sensitivity for detecting the gas concentration, a relatively large thermopile detector with a large number of thermopiles or printed conductors is generally formed. These can be z. B. are guided in a cross shape of the membrane to the surrounding substrate material.
  • thermopile structures Due to the large space requirement and the complex design of the large thermopile structures resulting in high production costs of the infrared sensor and the sensor module formed from the sensor, the housing and the lid.
  • the infrared sensor according to the invention and the method for its production have the particular advantage that a high sensitivity at relatively low production costs is possible.
  • the invention is based on the idea to focus the incident IR radiation through a collecting lens or convex lens onto the absorber layer.
  • the collecting lens is in this case on top of the sensor, d. H. formed on the top of the cap chip or an additionally mounted on the cap chip lens chip, so that no additional complex attachment and adjustment of optical aids is required.
  • thermopiles or conductor tracks Due to the increased sensitivity, the number of thermopiles or conductor tracks are reduced. According to the invention, furthermore, the lateral extent of the membrane and the absorber layer can also be reduced.
  • the invention is based on the finding that a measurement signal proportional to the radiation can be obtained even when the radiation is concentrated by a collecting lens onto the absorber layer.
  • the area of the diaphragm can be selected to be many times greater than conventionally used diaphragms.
  • the collection lens is defined by the convex lens portion on top of the cap chip or the additional lens chip and the z. B. flat underside of the cap chip formed, d. H. in particular as convex-plane condenser lens.
  • the optical focusing can be achieved in this case due to the difference in refractive indices of the air present in the housing interior relative to the semiconductor material of the cap chip or the additional lens chip and the refractive index difference of the semiconductor material with respect to the vacuum of the sensor space.
  • thermopiles can be reduced so that they are only led away to one side of the membrane.
  • the convex lens area on the surface of the sensor can be designed according to the invention as a dried lacquer layer.
  • a liquid spherical cap of an optically transparent lacquer of the surface is formed, which forms a convex shape with the desired radiation-bundling effect due to the surface tension of the liquid and the wetting of the surface.
  • a solid spherical cap can thus be formed as a convex lens area.
  • the paint droplet can be formed, on the one hand, by first applying a larger-area lacquer layer and structuring a cylinder region, which is subsequently liquefied by evaporation of a solvent.
  • a liquid paint droplets can be directly dispenst, z. B. via a piston dispenser with precision needle.
  • the advantages of using a piston dispenser are, in particular, that changes in pressure and viscosity have no effect on the dispensed volume. Furthermore, very small volumes are dosable, the volumetric reproducibility is high (e.g., +/- 2%), low viscosity materials do not flow, and the material is not altered by shear.
  • the spin-coating and the pre-baking step of the first layer, the spin-coating and the pre-baking step of the second layer, the edge decoating, the exposure process, the subsequent development process and the required varnish height control do not apply to direct dispensing.
  • the step of dispensing is with e.g. 10 minutes significantly shorter than the 45 minutes required in the special lithography
  • the drying is according to the invention with e.g. 2 hours also slightly less than the drying required in a special lithography of e.g. 3 hours. In this case, it is possible to reduce the time for the entire process by, for example, 60% and a reduction of the time for the handling by the employees even over 80% can be achieved.
  • the convex lens area may also be in the substrate itself, i. H. be formed in the cap chip or additional lens chip.
  • a spherical cap is formed from dried paint and then etched the ball cap made of paint and the surrounding substrate material, for. B. dry etched.
  • the shape of the resultant in the substrate lens corresponds to the choice of etch selectivity of the substrate material and the paint of 1: 1 exactly the shape of the original paint ball cap;
  • an aspherical shape can also be generated in the substrate, so that in principle the formation of more complex geometries is possible.
  • An infrared sensor module 1 comprises a housing 2 of e.g. Mold compound or ceramic and attached to the housing 2 cover 3 with a panel 4. In the enclosed by the housing 2 and the cover 3 housing interior 5, an infrared sensor 6 is added. It has a sensor chip 9 glued onto the bottom of the housing 2 and a cap chip 11 fastened on the sensor chip 9 in a sealing glass connection 10. On the sensor chip 9, a membrane 12 is formed above a cavern 14. The membrane 12 and the cavity 14 may be e.g. in a manner known per se, by forming or depositing an SIO 2 or SI 3 N 4 layer on the substrate of the sensor chip 9, structuring etching openings, etching the cavern 14 below the layer and subsequently closing the etching openings.
  • a cavity 14 may be formed from the underside of the sensor chip 9 by e.g. KOH etching can be formed and the etching can be stopped when at the top or front of the substrate 9, the sufficiently thin membrane 12 is formed.
  • the cavern 14 extends differently from the illustration of FIG. 1 to the bottom of the sensor chip. 9
  • thermopile structure 17 On the membrane 12 at least one thermopile structure 17 is deposited in a conventional manner, the interconnected printed conductors 19 and 20 of different, electrically conductive materials, for example made of polycrystalline silicon and aluminum or another metal.
  • the at least one thermopile structure 17 is designed such that the "hot contact area" of the conductor tracks 19 and 20 lies on the membrane 12 and the "cold contact area" outside the membrane 12 on the substrate 9 is made of silicon.
  • an infrared absorber view 21 On the contact region of the tracks 19, 20 on the membrane 12, an infrared absorber view 21 is applied, which heats up when incident IR radiation, wherein the temperature increase causes a thermoelectric voltage to the tracks 19, 20, which can be read out as an electrical signal.
  • a sensor space 23 is formed, in which a vacuum isolated by the sealing glass connection areas 10 with respect to the housing interior 5 is formed.
  • a cavern e.g. formed by KOH etching, which forms the sensor space 23 when the cap chip 11 is mounted on the sensor chip 9 in the sealing glass connection regions 10.
  • a convex lens region 24 is formed, which is advantageously spherically curved.
  • the convex lens region 24 of silicon is formed in this embodiment in a recess 27 of the top 22 and adjacent to the e.g. with housing, a protective gas or vacuum filled housing interior 5 at.
  • a biconvex condenser lens or a condenser lens may also be formed as a structure of a plurality of convex laterally adjacent regions.
  • a prism-like structure with an upwardly pointing tip and obliquely sloping planar surfaces may also be formed instead of the converging lens as a beam-bundling device.
  • the incident IR radiation is focused or focused by the beam-bundling device on the absorber layer 21. The focal point or spot is advantageously located in the absorber layer 12.
  • the area of the diaphragm 4 according to the invention is significantly larger than the area of the absorber layer 21, e.g. about 2-1 times larger.
  • the incident lens 26 falls by a multiple more IR radiation than without the use of such a beam-bundling device, wherein the IR radiation is focused onto the absorber layer 21.
  • the heat increased proportionally to the incidence of light introduced into the absorber layer 21 results in a proportional increase in sensitivity with a constant number of thermopile structures 17.
  • thermopile structures 17 can be reduced proportionally, thereby reducing the size of the thermopile structures 17 and the sensor chip 9 accordingly can be.
  • FIG. 2 shows a plan view of the membrane 12 with a plurality of thermopile structures 17, each with contact tracks 19, 20. According to the invention, they can only be used in one direction, instead of the currently usual crosswise formations on all sides, in FIG. be carried away.
  • the IR sensor 6 can already be formed at the wafer level.
  • a plurality of membranes 12, caverns 14 and thermopile structures 17 are formed in a sensor wafer and a plurality of convex lens regions 24 are formed in a cap wafer on the upper side and caverns for the sensor chambers 23 are formed on the underside.
  • seal glass, ie a low-melting lead glass on applied to the sensor wafer around the thermopile structures 17 and the cap wafer is positioned accurately on the sensor wafer.
  • Figures 3 a to c show an embodiment of such a wafer-level fabrication process according to the invention, i. before separating.
  • a light-sensitive lacquer layer 29 is applied to the cap substrate or cap wafer 27 and patterned photolithographically into a cylinder 30.
  • the paint of the cylinder 30 is heated at a suitable temperature of 60 ° C to 80 ° C, e.g. 75 ° C with the addition of solvent vapor, e.g. Acetone vapor, liquefied over 25 minutes.
  • solvent vapor e.g. Acetone vapor
  • T 100 ° to 120 ° C again cured to a solid spherical cap.
  • the dried solid ball cap 34 of paint and the surrounding silicon of the cap wafer 27 are etched, so the form of the lacquer is transferred into the silicon of the cap wafer 27 and, according to FIG. 3 c, the convex lens region 24 is formed in the cap wafer 27.
  • the shape of the resulting in the cap wafer 27 convex lens portion 24 corresponds to a choice of etch selectivity of silicon to paint of 1: 1 exactly the shape of the original ball cap 34 of paint of Fig. 3 b.
  • an aspherical shape can also be generated in the silicon of the cap wafer 27.
  • ball caps 34 made of liquid lacquer can also be applied directly to the cap wafer 27, as shown in FIGS. 4 a to d.
  • a piston dispenser 40 shown by way of example in detail in FIG. 5 small droplets 42 of a coating liquid 45 or liquid paint from a precision needle 43 on the cap wafer 27, which subsequently form the convex spherical caps 34 due to the surface tension.
  • this dispensing or automated metering the relatively extensive, time-consuming and more material-intensive photolithographic process of FIGS. 3a to c is replaced.
  • the above-mentioned changes in the paint are avoided during a melting process, in particular possible deviations from the desired target structure and the resulting aberrations largely or completely avoided.
  • the piston dispenser 40 is initially shown schematically.
  • a cylinder 46 filled with paint liquid 45 is moved to the cap wafer 27 until the precision needle 43 is sufficiently close above it.
  • a droplet 42 of the coating liquid 45 is deposited on the cap wafer 27.
  • wetting of the surface of the cap wafer 27 can take place already during the formation of the droplet 42 on the precision needle 43, so that even very small droplets can be formed.
  • the cylinder 46 is removed vertically again, so that the initially liquid ball cap 34 of liquid paint on the cap wafer 27 remains and subsequently solidifies in this form.
  • the piston dispenser 40 may be formed as follows: As the container 50 for the paint liquid 34, e.g. a cartridge are used, wherein the lacquer liquid 45 under low pressure of e.g. 0.3 to 0.8 bar is passed through a channel 52 to a pumping chamber 53. If the piston 49 moves upwards, a negative pressure causes the paint liquid 45 to flow into a dispensing chamber. As the piston moves down, the material supply is interrupted and the piston 49 pushes the desired amount of paint liquid 45 through the dispenser needle designed as a precision needle 43.
  • the container 50 for the paint liquid 34 e.g. a cartridge are used, wherein the lacquer liquid 45 under low pressure of e.g. 0.3 to 0.8 bar is passed through a channel 52 to a pumping chamber 53. If the piston 49 moves upwards, a negative pressure causes the paint liquid 45 to flow into a dispensing chamber. As the piston moves down, the material supply is interrupted and the piston 49 pushes the desired amount of paint liquid 45 through the dispenser needle designed as a precision needle
  • FIG. 6 shows a further embodiment with respect to the first embodiment of FIG. 1 unchanged housing 2 and unchanged cover 3, in which the IR sensor 106 with respect to FIG. 1 also has an unchanged sensor chip 9 with membrane 12.
  • the cap chip 111 has a plan-shaped upper side on which a lens chip 114 made of silicon is attached via an adhesive layer 112 of optically transparent adhesive.
  • the lens chip 114 has on its upper side the convex lens area 24.
  • the convex lens region 24 can in this case be formed with all the processes described above, in particular FIGS. 3 a to c and 4 a to d.
  • the manufacture of the sensor 106 can also be carried out at the wafer level by producing a sensor wafer, a cap wafer and a lens wafer separately, wherein in this embodiment the cap wafer is formed only from one side to form the sensor space 23 and the lens wafer is formed according to the cap wafer 27 of the first embodiment.
  • a wafer stack produces these three wafers, in which the cap wafer is mounted in the seal glass bonding regions 10 on the sensor wafer and the lens wafer in the adhesive layer 112 on the cap wafer.
  • the lens chip 114 can extend laterally to the width of the cap chip 111 and the sensor chip 6, so that production as a wafer stack with subsequent singulation is facilitated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierter Infrarot-Sensor (6) mit mindestens:
  • einem Sensorchip (9), der eine Membran (12), eine unterhalb der Membran ausgebildete Kaverne (14), eine auf der Membran (12) ausgebildete Thermopile-Struktur (17) mit kontaktierten Leiterbahnen (19, 20) und eine auf der Thermopile-Struktur (17) ausgebildete Absorberschicht (21) zur Absorbtion von Infrarot-Strahlung (IR) aufweist, und
  • einem auf dem Sensorchip (9) befestigten Kappenchip (11), wobei zwischen dem Kappenchip (11) und dem Sensorchip (9) ein Sensorraum (23) ausgebildet ist, in dem die Thermopile-Struktur (17) aufgenommen ist,
wobei der Infrarot-Sensor (6) einen konvex gewölbten Linsenbereich (24) zur Bündelung einfallender Infrarotstrahlung (IR) auf die Absorberschicht (21) aufweist.
Hierbei kann der Linsenbereich (24) auf der Oberseite des Kappenchips (11) oder eines auf dem Kappenchip (11) befestigten Linsenchips ausgebildet sein.
Der Linsenbereich (24) kann durch Trocknen eines dispensten Lacktröpfchens oder eines aufgeweichten, strukturierten Lackzylinders oder durch nachträgliches Ätzen des getrockneten Lachtröpfchens und des umgebenden Substratmaterials ausgebildet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Infrarot-Sensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Derartige Infrarot-Sensoren können insbesondere in Gasdetektoren verwendet werden, bei denen von einer Strahlungsquelle, z. B. einer im Niederstrombereich betriebenen Glühbirne oder einer IR-LED, ausgesandte IR-Strahlung über eine Messstrecke ausgesandt und nachfolgend von dem Infrarot-Sensor aufgenommen wird, und aus der Absorption der Infrarotstrahlung in spezifischen Wellenlängenbereichen auf die Konzentration zu detektierender Gase in der Messstrecke geschlossen werden kann. Derartige Gassensoren können insbesondere im Automobilbereich z. B. zur Detektion eines Lecks in einer mit CO2 betriebenen Klimaanlage oder zur Untersuchung der Luftqualität der Raumluft verwendet werden.
  • Die mikrostrukturierten Infrarot-Sensoren weisen im Allgemeinen als Substrat einen Sensorchip auf, in dem eine Membran ausgebildet ist, die von einer Kaverne unterätzt ist. Auf der Membran ist mindestens eine Thermopile-Struktur aus zwei kontaktierten Leiterbahnen aus unterschiedlichen leitfähigen Materialien, z. B. polykristallinem Silizium und einem Metall ausgebildet und eine Absorberschicht zur Absorption der einfallenden IR-Strahlung abgeschieden. Die einfallende IR-Strahlung wird von der Absorberschicht absorbiert, worauf hin sich diese entsprechend der Intensität der absorbierten Strahlung erwärmt. Die aus der Temperaturerhöhung resultierende Thermospannung der kontaktierten Leiterbahnen wird als Messsignal ausgelesen. Auf dem Sensorchip ist im Allgemeinen ein Kappenchip vakuumdicht befestigt, wodurch ein nach Außen abgeschirmter Sensorraum für die Thermopile-Struktur ausgebildet wird. Der Sensor kann hierbei in einem Gehäuse mit aufgesetztem Deckel mit einer Blende zum Durchlassen von IR-Strahlung aufgenommen sein. Zu detektierende IR-Strahlung fällt somit durch die Blende des Deckels und den für IR-Strahlung transparenten Kappenchip aus Silizium im wesentlichen vertikal auf die Absorberschicht. Die Blende hat hierbei in etwa denselben Durchmesser wie die darunter liegende Absorberschicht.
  • Um eine hinreichende Empfindlichkeit zur Detektion der Gaskonzentration zu erreichen, wird im Allgemeinen ein relativ großer Thermopile-Detektor mit einer großen Anzahl von Thermopiles bzw. Leiterbahnen ausgebildet. Diese können z. B. kreuzförmig von der Membran zu dem umgebenden Substratmaterial geführt werden.
  • Aufgrund des großen Flächenbedarfs und der komplexen Ausbildung der großen Thermopile-Strukturen ergeben sich hohe Herstellungskosten des Infrarot-Sensors sowie des aus dem Sensor, dem Gehäuse und dem Deckel gebildeten Sensormoduls.
  • Der erfindungsgemäße Infrarot-Sensor und das Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber insbesondere den Vorteil auf, dass eine hohe Empfindlichkeit bei relativ geringen Herstellungskosten möglich ist.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die einfallende IR-Strahlung durch eine Sammel-Linse bzw. konvexe Linse auf die Absorberschicht zu bündeln. Die Sammel-Linse wird hierbei auf der Oberseite des Sensors, d. h. auf der Oberseite des Kappenchips bzw. eines zusätzlich auf dem Kappenchip befestigten Linsenchips ausgebildet, so dass keine zusätzlich aufwendige Anbringung und Justierung optischer Hilfsmittel erforderlich ist.
  • Aufgrund der erhöhten Empfindlichkeit kann die Anzahl der Thermopiles bzw. Leiterbahnen reduziert werden. Erfindungsgemäß kann weiterhin auch die laterale Ausdehnung der Membran und der Absorberschicht verringert werden.
  • Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zu Grunde, dass auch bei einer Bündelung der Strahlung durch eine Sammel-Linse auf die Absorberschicht ein der Strahlung proportionales Messsignal gewonnen werden kann. Hierbei kann erfindungsgemäß die Fläche der Blende um ein vielfaches größer als üblicherweise verwendete Blenden gewählt werden. Die Sammel-Linse wird durch den konvexen Linsenbereich auf der Oberseite des Kappenchips oder des zusätzlichen Linsenchips und die z. B. plane Unterseite des Kappenchips gebildet, d. h. insbesondere als Konvex-plane Sammellinse. Die optische Bündelung kann hierbei aufgrund der Brechzahlunterschiede der im Gehäuseinnenraum vorhandenen Luft gegenüber dem Halbleitermaterial des Kappenchips oder des zusätzlichen Linsenchips sowie dem Brechzahlunterschied des Halbleitermaterials gegenüber dem Vakuum des Sensorraums erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß kann die Anzahl der Thermopiles dahingehend reduziert werden, dass sie lediglich zu einer Seite von der Membran weggeführt werden.
  • Der konvexe Linsenbereich auf der Oberfläche des Sensors kann erfindungsgemäß zum einen als getrocknete Lackschicht ausgebildet werden. Hierbei wird eine flüssige Kugelkappe eines optisch transparenten Lackes der Oberfläche ausgebildet, die aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und der Benetzung der Oberfläche eine konvexe Form mit der gewünschten strahlungsbündelnden Wirkung ausbildet. Durch nachfolgendes Trocknen kann somit eine feste Kugelkappe als konvexer Linsenbereich ausgebildet werden.
  • Das Lacktröpfchen kann zum einen ausgebildet werden, indem zunächst eine großflächigere Lackschicht aufgetragen und ein Zylinderbereich strukturiert wird, der nachfolgend durch Eindampfen eines Lösungsmittels verflüssigt wird.
  • Alternativ hierzu kann direkt ein flüssiges Lacktröpfchen dispenst werden, z. B. über einen Kolbendispensers mit Präzisionsnadel. Hierbei treten Zeit- und Materialersparnisse gegenüber der Ausbildung und Strukturierung der Lackschicht und Eindampfung von Lösungsmitteln auf. Die Vorteile der Verwendung eines Kolbendispensers sind insbesondere, dass Änderungen in Druck und Viskosität keine Auswirkungen auf das dispenste Volumen haben. Weiterhin sind sehr kleine Volumen dosierbar, die volumetrische Reproduzierbarkeit ist hoch (z.B. +/- 2%), niederviskose Materialien fließen nicht nach und das Material wird durch Scherung nicht verändert.
  • Gegenüber Fotolithographien bzw. Sonderlithographien entfällt beim direkten Dispensen insbesondere das Aufschleudern und der Preback- Schritt der ersten Schicht, das Aufschleudern und der Preback-Schritt der zweiten Schicht, die Randentlackung, der Belichtungsvorgang, der nachfolgende Entwicklungsvorgang sowie die erforderliche Lackhöhenkontrolle. Auch der Schritt des Dispensens ist mit z.B. 10 Minuten deutlich kürzer als der bei der Sonderlithographie erforderliche Quellprozess von 45 Minuten, die Trocknung ist erfindungsgemäß mit z.B. 2 Stunden ebenfalls etwas geringer als die bei einer Sonderlithographie erforderliche Trocknung von z.B. 3 Stunden. Es kann hierbei eine Reduzierung der Zeit für den Gesamtprozess um z.B. 60 % und einer Reduktion der Zeit für das Handling durch die Mitarbeiter sogar um über 80 % erreicht werden.
  • Weiterhin werden beim direkten Dispensen geringere Mengen an Materialien verbraucht, da der bei Auftragen von Schichten und nachfolgendem Strukturierung erforderliche Überschuss nicht auftritt. Auch sind kein Entwickler, kein Lösemittel für den Quellvorgang und keine Fotomaske erforderlich, so dass auch eine erhebliche Materialersparnis erreicht werden kann.
  • Weiterhin kann der konvexe Linsenbereich auch in dem Substrat selbst, d. h. in dem Kappenchip oder zusätzlichen Linsenchip ausgebildet werden. Hierbei wird gemäß der obigen Ausbildungsformen zunächst eine Kugelkappe aus getrocknetem Lack ausgebildet und nachfolgend die Kugelkappe aus Lack und das umgebende Substratmaterial geätzt, z. B. trockengeätzt. Die Form der sich im Substrat ergebenden Linse entspricht bei der Wahl der Ätzselektivität des Substratmaterials und des Lackes von 1:1 genau der Form der ursprünglichen Lackkugelkappe; durch Variation der Ätzselektivität während des Ätzprozesses kann auch im Substrat eine asphärische Form erzeugt werden, so dass grundsätzlich die Ausbildung komplexerer Geometrien möglich ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Vertikalschnitt durch einen Infrarot-Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    Fig. 2
    eine Draufsicht auf den Sensorchip im Bereich der Membran;
    Fig. 3 a bis c
    die Herstellung des Kappenchips des Sensors der Fig. 1 gemäß einer Ausführungsform;
    Fig. 4 a bis d
    die Herstellung einer Linse auf dem Kappenchip gemäß einer zu Fig. 3 alternativen Ausführungsform;
    Fig. 5
    einen Kolbendispensor zur Durchführung des in Fig. 4 gezeigten Verfahrens;
    Fig. 6
    einen Vertikalschnitt durch einen Infrarot-Sensor einer zu Fig. 1 alternativen Ausführungsform.
  • Ein Infrarot-Sensormodul 1 weist ein Gehäuse 2 aus z.B. Moldcompound oder Keramik und einen auf dem Gehäuse 2 befestigten Deckel 3 mit einer Blende 4 auf. In dem von dem Gehäuse 2 und dem Deckel 3 eingeschlossenen Gehäuseinnenraum 5 ist ein Infrarot-Sensor 6 aufgenommen. Er weist einen auf den Boden des Gehäuses 2 aufgeklebten Sensorchip 9 und einen auf dem Sensorchip 9 in einer Sealglas-Verbindung 10 befestigten Kappenchip 11 auf. Auf dem Sensorchip 9 ist eine Membran 12 oberhalb einer Kaverne 14 ausgebildet. Die Membran 12 und die Kaverne 14 können z.B. in an sich bekannter Weise durch Ausbilden oder Abscheiden einer SIO2- oder SI3N4-Schicht auf dem Substrat des Sensorchips 9, Strukturieren von Ätzöffnungen, Ätzen der Kaverne14 unterhalb der Schicht und nachfolgendem Verschließen der Ätzöffnungen ausgebildet werden.
  • Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform kann eine Kaverne 14 von der Unterseite des Sensorchips 9 durch z.B. KOH-Ätzen ausgebildet werden und der Ätzvorgang gestoppt werden, wenn an der Oberseite bzw. Vorderseite des Substrates 9 die hinreichend dünne Membran 12 ausgebildet ist. Bei dieser Ausbildung erstreckt sich die Kaverne 14 abweichend von der Darstellung der Fig. 1 bis zur Unterseite des Sensorchips 9.
  • Auf der Membran 12 wird in an sich bekannter Weise mindestens eine Thermopile-Struktur 17 abgeschieden, die miteinander kontaktierte Leiterbahnen 19 und 20 aus unterschiedlichen, elektrisch leitfähigen Materialien aufweist, z.B. aus polykristallinem Silizium und aus Aluminium oder einem anderen Metall. Die mindestens eine Thermopile-Struktur 17 ist derartig ausgebildet, dass der "warme Kontaktbereich" der Leiterbahnen 19 und 20 auf der Membran 12 liegt und der "kalte Kontaktbereich" außerhalb der Membran 12 auf dem Substrat 9 aus Silizium liegt. Auf dem Kontaktbereich der Leiterbahnen 19, 20 auf der Membran 12 ist eine Infrarot-Absorbersicht 21 aufgetragen, die sich bei einfallender IR-Strahlung erwärmt, wobei die Temperaturerhöhung eine Thermospannung an den Leiterbahnen 19, 20 bewirkt, die als elektrisches Signal ausgelesen werden kann.
  • Zwischen dem Kappenchip 11 und dem Sensorchip 9 ist ein Sensorraum 23 ausgebildet, in dem ein durch die Sealglas-Verbindungsbereiche 10 gegenüber dem Gehäuseinnenraum 5 isoliertes Vakuum ausgebildet ist. Hierzu ist an der Unterseite des Kappenchips 11 eine Kaverne z.B. durch KOH-Ätzen ausgebildet, die bei Befestigung des Kappenchips 11 auf dem Sensorchip 9 in den Sealglas-Verbindungsbereichen 10 den Sensorraum 23 bildet. Auf der Oberseite 22 des Kappenchips 11 ist in einem Bereich oberhalb der Thermopile-Struktur 17 ein konvexer Linsenbereich 24 ausgebildet, der vorteilhafterweise sphärisch gekrümmt ist. Der konvexe Linsenbereich 24 aus Silizium ist bei dieser Ausführungsform in einer Vertiefung 27 der Oberseite 22 ausgebildet und grenzt an den z.B. mit Luft, einem Schutzgas oder Vakuum gefüllten Gehäuseinnenraum 5 an. An seiner Unterseite weist er eine an den unter Vakuum stehenden Sensorraum 23 angrenzende plane Grenzfläche 25 auf und wirkt somit als konvex-plane Sammellinse 26, die von außerhalb durch die Blende 4 in den Gehäuseinnenraum 5 einfallende IR-Strahlung IR auf die Absorberschicht 21 bündelt. Der Brennpunkt der IR-Strahlung liegt hierbei vorteilhafterweise als breiter Fleck in der Absorberschicht 21.
  • Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform mit einer konvex-planen Sammellinse 24 kann entsprechend auch eine bikonvexe Sammellinse oder eine Sammellinse als Struktur aus mehreren konvexen, lateral nebeneinander liegenden Bereichen ausgebildet werden. Weiterhin kann grundsätzlich auch anstelle der Sammellinse als strahlenbündelnde Einrichtung eine prismaartige Struktur mit einer nach oben weisenden Spitze und schräg abfallenden planen Flächen ausgebildet sein. Relevant ist hierbei, dass die einfallende IR-Strahlung durch die strahlenbündelnde Einrichtung auf die Absorberschicht 21 gebündelt bzw. fokussiert wird. Der Brennpunkt bzw. - Fleck liegt vorteilhafterweise in der Absorberschicht 12.
  • Die Fläche der Blende 4 ist erfindungsgemäß deutlich größer als die Fläche der Absorberschicht 21, z.B. um das 2-1 0fache größer. Hierdurch fällt auf die Sammellinse 26 um eine Vielfaches mehr IR-Strahlung als ohne Verwendung einer derartigen strahlungsbündelnden Einrichtung, wobei die IR-Strahlung auf die Absorberschicht 21 gebündelt wird. Die zum Lichteinfall proportional erhöhte, in die Absorberschicht 21 eingeleitete Wärme ergibt eine proportionale Erhöhung der Empfindlichkeit bei einer gleich bleibenden Anzahl von Thermopile-Strukturen 17.
  • Falls eine gleich bleibende Empfindlichkeit des IR-Sensors 6 gegenüber einem ohne Verwendung einer Sammellinse 26 ausgebildeten IR-Sensor angestrebt wird, kann die Anzahl der Thermopile-Strukturen 17 proportional reduziert werden, wodurch entsprechend die Abmessung der Thermopile-Strukturen 17 und des Sensorchips 9 reduziert werden kann.
  • Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Membran 12 mit mehreren Thermopile-Strukturen 17 mit jeweils kontaktieren Leiterbahnen 19, 20. Sie können erfindungsgemäß - anstelle derzeit üblicher kreuzweise Ausbildungen zu allen Seiten hin - lediglich in einer Richtung, in Fig. 2 nach unten, weggeführt werden.
  • Bei allen gezeigten Ausführungsformen kann der IR-Sensor 6 bereits auf Wafer-Ebene ausgebildet werden. Hierzu werden in einem Sensor-Wafer mehrere Membranen 12, Kavernen 14 und Thermopile-Strukturen 17 ausgebildet und in einem Kappen-Wafer auf der Oberseite mehrere konvexe Linsenbereiche 24 und an der Unterseite Kavernen für die Sensorräume 23 ausgebildet. Weiterhin wird Sealglas, d.h. ein niedrig schmelzendes Bleiglas, auf dem Sensor-Wafer um die Thermopile-Strukturen 17 herum aufgetragen und der Kappen-Wafer positionsgenau auf dem Sensor-Wafer angebracht. Durch Erhitzen bzw. Backen des so gebildeten Wafer-Stapels mit nachfolgendem Vereinzeln werden dann die einzelnen IR-Sensoren 6 kostengünstig gefertigt.
  • Die Figur 3 a bis c zeigt eine Ausführungsform eines derartigen erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses auf Waferebene, d.h. vor dem Vereinzeln. Hierzu wird auf dem Kappensubstrat bzw. Kappen-Wafer 27 eine lichtempfindliche Lackschicht 29 aufgebracht und fotolithographisch zu einem Zylinder 30 strukturiert.
  • Anschließend wird der Lack des Zylinders 30 bei einer geeigneten Temperatur von 60° C bis 80° C, z.B. 75° C unter Zugabe von Lösungsmitteldampf, z.B. Aceton-Dampf, über 25 Minuten verflüssigt. Der verflüssigte Lack bildet gemäß Fig. 3 b aufgrund seiner Benetzungseigenschaften und unter Einfluss der Schwerkraft und der Oberflächenspannungen eine flüssige Kugelkappe 34 und wird gemäß Fig. 3 c anschließend bei hoher Temperatur von z.B. T= 100° bis 120° C wieder ausgehärtet zu einer festen Kugelkappe. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Zylinder 30 durch Temperaturerhöhung bei T= 150° bis 160° C ohne Zufuhr von Lösungsmitteldämpfen aufzuschmelzen und anschließend erstarren zu lassen. Durch das Eindampfen des Lösungsmittels und nachfolgende Aushärten werden jedoch die Veränderungen des Lackes während eines Schmelzvorganges vermieden, bei dem Lösungsmittel ausdiffundiert und der Lack somit seine chemische Konsistenz verändert. Insbesondere werden die durch Ausdampfen des Lösungsmittels möglichen Abweichungen von der angestrebten Sollstruktur und die hieraus resultierenden Abbildungsfehler, die die Funktion der optischen Systeme beeinflussen können, vermieden oder zumindest weitgehend vermieden.
  • In einer Trockenätzanlage werden die getrocknete, feste Kugelkappe 34 aus Lack und das umgebende Silizium des Kappen-Wafers 27 geätzt, so dass sich die Lackform in das Silizium des Kappen-Wafers 27 überträgt und gemäß Fig. 3 c der konvexe Linsenbereich 24 in dem Kappen-Wafer 27 ausgebildet wird . Die Form des sich im Kappen-Wafer 27 ergebenden konvexen Linsenbereichs 24 entspricht bei einer Wahl der Ätzselektivität von Silizium zu Lack von 1:1 genau der Form der ursprünglichen Kugelkappe 34 aus Lack der Fig. 3 b. Durch Variation der Ätzselektivität während des Ätzprozesses kann im Silizium des Kappen-Wafers 27 aber auch eine asphärische Form erzeugt werden.
  • Alternativ zu dem in den Fig. 3 a bis c gezeigten Prozess können gemäß Fig. 4 a bis d auch Kugelkappen 34 aus flüssigem Lack direkt auf dem Kappen-Wafer 27 aufgebracht werden. Hierbei werden diese mittels eines in Fig. 5 beispielhaft detaillierter gezeigten Kolbendispensers 40 kleine Tröpfchen 42 einer Lackflüssigkeit 45 bzw. flüssigen Lackes von einer Präzisions-Nadel 43 auf dem Kappen-Wafer 27 aufgebracht, die nachfolgend aufgrund der Oberflächenspannung die konvexen Kugelkappen 34 bilden. Durch dieses Dispensen bzw. automatisierte Dosieren wird der relativ umfangreiche, zeitaufwändigere und materialintensivere Fotolithographieprozess der Fig. 3 a bis c ersetzt. Auch bei dieser Ausführungsform werden die oben genannten Veränderungen des Lackes während eines Schmelzvorganges vermieden, insbesondere mögliche Abweichungen von der angestrebten Sollstruktur und die hieraus resultierenden Abbildungsfehler weitgehend oder ganz vermieden.
  • In den Fig. a bis d ist der Kolbendispenser 40 zunächst schematisch dargestellt. Ein mit Lackflüssigkeit 45 gefüllter Zylinder 46 wird zu dem Kappen-Wafer 27 verstellt, bis die Präzisions-Nadel 43 hinreichend nah über diesem ist. Nachfolgend wird durch Herabsenken eines Kolbens 49 ein Tröpfchen 42 der Lackflüssigkeit 45 auf dem Kappen-Wafer 27 abgeschieden. Hierbei kann eine Benetzung der Oberfläche des Kappen-Wafers 27 bereits bei der Ausbildung des Tröpfchens 42 an der Präzisions-Nadel 43 erfolgen, so dass auch sehr kleine Tröpfchen ausgebildet werden können. Gemäß Fig. 4 d wird nachfolgend der Zylinder 46 wieder vertikal entfernt, so dass die zunächst flüssige Kugelkappe 34 aus flüssigem Lack auf dem Kappen-Wafer 27 verbleibt und nachfolgend in dieser Form erhärtet.
  • Gemäß Fig. 5 kann der Kolbendispenser 40 wie folgt ausgebildet sein: Als Behälter 50 für die Lackflüssigkeit 34 kann z.B. eine Kartusche benutzt werden, wobei die Lackflüssigkeit 45 unter geringem Druck von z.B. 0,3 bis 0,8 bar durch einen Kanal 52 zu einer Pumpkammer 53 geleitet wird. Bewegt sich der Kolben 49 nach oben, veranlasst ein Unterdruck, dass die Lackflüssigkeit 45 in eine Dispenskammer fließt. Wenn sich der Kolben nach unten bewegt, wird die Materialzuführung unterbrochen und der Kolben 49 drückt die gewünschte Menge der Lackflüssigkeit 45 durch die als Präzisions-Nadel 43 ausgebildete Dispenser-Nadel.
  • Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform mit gegenüber der ersten Ausführungsform der Fig. 1 unverändertem Gehäuse 2 und unverändertem Deckel 3, bei der der IR-Sensor 106 gegenüber Fig. 1 auch einen unveränderten Sensorchip 9 mit Membran 12 aufweist. Der Kappenchip 111 weist jedoch eine plan ausgebildete Oberseite auf, auf der über eine Kleberschicht 112 aus optisch transparentem Kleber ein Linsenchip 114 aus Silizium befestigt ist. Der Linsenchip 114 weist auf seiner Oberseite den konvexen Linsenbereich 24 auf. Der konvexe Linsenbereich 24 kann hierbei mit sämtlichen oben beschriebenen Prozessen, insbesondere der Fig. 3 a bis c und 4 a bis d, ausgebildet werden.
  • Auch die Herstellung des Sensors 106 kann auf Wafer-Ebene erfolgen, indem ein Sensor-Wafer, ein Kappen-Wafer und ein Linsen-Wafer getrennt hergestellt werden, wobei bei dieser Ausführungsform der Kappen-Wafer lediglich von einer Seite her zur Ausbildung des Sensorraums 23 zu strukturieren ist und der Linsen-Wafer entsprechend dem Kappen-Wafer 27 der ersten Ausführungsform ausgebildet wird. Nachfolgend wird ein Wafer-Stapel aus diesen drei Wafern erzeugt, bei dem der Kappen-Wafer in den Sealglas-Verbindungsbereichen 10 auf dem Sensor-Wafer und der Linsen-Wafer in der Kleberschicht 112 auf dem Kappen-Wafer befestigt wird. Alternativ zu der in Fig. 6 gezeigten Ausbildung kann sich der Linsenchip 114 lateral bis zu der Breite des Kappenchips 111 und des Sensorchips 6 erstrecken, so dass die Herstellung als Wafer-Stapel mit nachfolgendem Vereinzeln erleichtert ist.

Claims (23)

  1. Mikrostrukturierter Infrarot-Sensor (6, 106) mit mindestens:
    einem Sensorchip (9), der eine Membran (12), eine unterhalb der Membran (12) ausgebildete Kaverne (14), mindestens eine auf der Membran (12) ausgebildete Thermopile-Struktur (17) mit zwei kontaktierten Leiterbahnen (19, 20) aus unterschiedlichen, elektrisch leitfähigen Materialien und eine auf der Thermopile-Struktur (17) ausgebildete Absorberschicht (21) zur Absorbtion von Infrarot-Strahlung (IR) aufweist,
    einem auf dem Sensorchip (9) in vakuumdichten Verbindungsbereichen (10) befestigten Kappenchip (11, 111) wobei zwischen dem Kappenchip (11, 111) und dem Sensorchip (9) ein Sensorraum (23) mit einem Vakuum ausgebildet ist, in dem die Thermopile-Struktur (17) aufgenommen ist,
    wobei auf einer Oberseite des Infrarot-Sensors (6, 106) ein konvex gewölbter Linsenbereich (24) zur Bündelung einfallender Infrarotstrahlung (IR) auf die Absorberschicht (21) ausgebildet ist.
  2. Infrarot-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konvex gewölbte Linsenbereich (24) auf der Oberseite (22) des Kappenchips (11) ausgebildet ist.
  3. Infrarot-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konvex gewölbte Linsenbereich (24) in einer Vertiefung (27) der Oberseite (22) des Kappen-Chips (11) ausgebildet ist.
  4. Infrarot-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Linsenbereich (24) in einem auf dem Kappenchip (111) befestigten Linsenchip (114) ausgebildet ist.
  5. Infrarot-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenchip (114) auf dem Kappenchip (111) mit einer Kleberschicht (112) aus optisch transparentem Kleber befestigt ist.
  6. Infrarot-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsensbereich (24) im Wesentlichen sphärisch gewölbt ausgebildet ist.
  7. Infrarot-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sammellinse (26) aus dem konvexen Linsenbereich (24) und einer Unterseite (25) gebildet wird und der Brennpunkt der Sammellinse (26) in der Absorberschicht (21) liegt.
  8. Infrarot-Sensor, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Linsensbereich (24) als eine Kappe (34) aus erstarrtem, aufgetragenen, für die IR-Strahlung transparentem Lack ausgebildet ist.
  9. Infrarot-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Lack ein Fotolack ist.
  10. Infrarot-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Linsenbereich (24) in dem Substratmaterial des Kappenchips (11) oder Linsenchips (114) ausgebildet ist.
  11. Infrarot-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Durchmesser des konvexen Linsenbereiches (24) größer als der laterale Durchmesser der Absorberschicht (21) ist.
  12. Infrarot-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (19, 20) der Thermopile-Struktur (17) zu einer Seite der Membran (12) weggeführt sind.
  13. Sensormodul (1, 101), das aufweist:
    ein Gehäuse (2),
    einen auf dem Gehäuse (2) befestigten Deckel (3) mit einer Blende (4) zum Durchlassen von Infrarot-Strahlung (IR), und
    einen zwischen dem Gehäuse (2) und dem Deckel (3) ausgebildeten Gehäuseinnenraum (5),
    einen Infrarot-Sensor (6, 106) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der auf dem Gehäuse (2) in dem Gehäuseinnenraum (5) angebracht ist,
    wobei die Blende (4) oberhalb des konvexen Linsenbereichs (24) des Infrarot-Sensors (6, 106) ausgebildet ist.
  14. Verfahren zum Herstellen eines Infrarot-Sensors (6, 106), mit mindestens folgenden Schritten:
    Ausbilden eines Sensor-Substrates (9) mit mindestens einer Membran (12), einer Thermopile-Struktur (17) und einer auf der Thermopile-Struktur (17) aufgetragenen Absorberschicht (21),
    Ausbilden einer flüssigen Kugelkappe (34) aus einem für die zu detektierende IR-Strahlung transparenten Lack auf einem Kappen-Substrat (11, 27, 111) oder einem Linsensubstrat (114),
    Erhärten der Kugelkappe (34),
    Befestigen des Kappen-Substrates (11, 27, 111) auf einem Sensor-Substrat (9) derartig, dass die Thermopile-Struktur (17) des Sensor-Substrates (9) in einem Sensorraum (23) zwischen dem Kappensubstrat (11, 27, 111) und dem Sensor-Substrat (9) angeordnet ist,
    wobei der konvexe Linsenbereich (24) des Kappen-Substrates (11, 27, 111) oder des Linsensubstrates (114) oberhalb der Absorberschicht (21) ausgebildet ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Kugelkappe (34) ausgebildet wird, indem ein Tröpfchen (42) einer Lackflüssigkeit (45) mittels einer Präzisions-Nadel (43) auf dem Substrat abgeschieden wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Kugelkappe (34) ausgebildet wird, indem
    eine Lackschicht (29) aus strahlungstransparentem Lack ausgebildet wird,
    ein Zylinder (30) in der Lackschicht (29) strukturiert wird, und
    der Zylinder (30) durch Eindämpfen von Lösungsmittel zu der flüssigen Kugelkappe (34) aufgeweicht wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Linsenbereich (24) durch die getrocknete Kugelkappe (34) gebildet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Linsenbereich (24) gebildet wird, indem nach Trocknen der flüssigen Kugelkappe (34) das Kappen-Substrat (11, 27) oder das Linsensubstrat (114) geätzt wird derartig, dass die getrocknete Kugelkappe (34) und umliegendes Substratmaterial weggeätzt werden und der konvexe Linsenbereich (24) im Substrat (11, 27, 114) ausgebildet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzgeschwindigkeit im getrockneten Fotolack und im umliegenden Substrat (11, 27, 114) im wesentlichen gleich groß sind.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzgeschwindigkeit im getrockneten Fotolack gegenüber der Ätzgeschwindigkeit im umliegenden Substrat (11, 27, 114) derartig verschieden ist, dass das Ätzen einer sphärischen getrockneten Kugelkappe (34) zu einem asphärischen konvexen Linsenbereich (24) im Substrat (11, 27, 114) führt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Linsenbereich (24) auf der Oberseite (22) des Kappensubstrates (11, 27) ausgebildet wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Linsenbereich (24) in einem Linsensubstrat (114) ausgebildet wird, der mittels einer strahlungstransparenten Kleberschicht (112) auf der Oberseite des Kappenchips (111) befestigt wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Linsensbereich (24) derartig befestigt wird, dass sein Brennpunkt in der Absorberschicht (21) liegt.
EP05103854A 2004-06-24 2005-05-10 Mikrostrukturierter Infrarot-Sensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung Withdrawn EP1612528A3 (de)

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